用時差法檢測液壓系統(tǒng)流量

1 引言

液壓系統(tǒng)一直存在故障率高、故障檢測定位困難的問題。常用的液壓系統(tǒng)振動信號診斷技術(shù)、油液分析診斷技術(shù)已無法準(zhǔn)確獲得反映液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)的流量、壓力等關(guān)鍵參數(shù)及其變化；傳統(tǒng)的液壓介入式測量方法，檢測接口有限，拆裝困難，而且影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。

而流量是液壓系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，其大小直接反映液壓系統(tǒng)運行狀況的好壞。通過測量系統(tǒng)流量實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實時監(jiān)控，以保證液壓系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，同時也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。因此檢測液壓系統(tǒng)的流量具有重要意義。

2 時差法測液壓流量原理

超聲波用于流體的流速測量有許多優(yōu)點。和傳統(tǒng)的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應(yīng)性強、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等等。近年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量儀表的制造成本大大降低，超聲波流量計也開始普及起來。經(jīng)常有客戶詢問有關(guān)超聲波流量測量方面的問題。作為普及，我們將陸續(xù)撰寫一些專題文章，來介紹一些相關(guān)知識，以便推廣和普及超聲波流量技術(shù)的普及和提高。

時差法的測量原理為：超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關(guān)，據(jù)此可測量流量。在流速v的流動媒質(zhì)的上、下游分別放置超聲波換能器1和換能器2,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 

換能器l和換能器2間距為L,管道直徑為D,L與v之間的夾角為θ。當(dāng)換能器2接收換能器1發(fā)送的超聲脈沖時，超聲沿L的傳播速度為（c-v），其中c是靜止媒質(zhì)中的超聲波速度。超聲波逆流由換能器l傳輸?shù)綋Q能器2的時間為：

將換能器的接發(fā)功能調(diào)換，換能器2發(fā)送超聲脈沖，換能器l接收超聲波順流由換能器2傳輸?shù)綋Q能器1的時間：

于是，逆流和順流的時間差為：

因為超聲波在液體里的傳播速度為1500m/s,而流體速度在不是很高的情況下，可認為：則式（3）化簡為：

這樣，液體平均流速v就可由聲時差△t確定，即在c和x恒定的前提下，v與△t成線性。再根據(jù)流量方程求出流量Q:

式中k為流速分布修正系數(shù)。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

該檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計主要由超聲波換能器、CPLD功能、驅(qū)動發(fā)射、接收放大和過零比較等模塊組成。系統(tǒng)工作時，單片機先向CPLD發(fā)送指令，CPLD的內(nèi)部PULSE功能模塊產(chǎn)生600 ns的驅(qū)動脈沖，同時CNT功能模塊開始計時：驅(qū)動脈沖進入驅(qū)動發(fā)射電路使超聲波換能器1產(chǎn)生超聲波信號；接收到的信號比較微弱，需通過由LF357和LM318組成的三級接收放大電路對其放大；將放大信號再通過由MAX903組成過零比較電路，從而為CLPD中的CNT功能模塊提供一個停止計時的高電平信號。將CNT中所計時的數(shù)據(jù)換算為時間，再由換能器2發(fā)送，換能器1接收。用CNT記錄另外一組時間數(shù)據(jù)，二者相減得到順流和逆流的聲時差△t,計算出系統(tǒng)的流速和流量。該檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵是要得到準(zhǔn)確的驅(qū)動脈沖和精確的順逆流時間。所以，選用Aher公司CPLD的MAXⅡ系列EMP240T100C5N,并配有100 MHz的晶體振蕩器，CPLD功能模塊是該系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心。

3.1 CPLD功能模塊

CPLD功能模塊主要由6個子模塊組成，如圖2所示。它們都是利用VHDL語言編寫，各自的功能：DECODER子模塊是將單片機的指令經(jīng)過解碼傳輸給CPLD內(nèi)部各個子模塊；CNT子模塊負責(zé)計時；PULSE子模塊產(chǎn)生驅(qū)動脈沖：CNT_SP子模塊產(chǎn)生CNT的停止計時信號；SEL_2用于選取將CNT中的16位數(shù)據(jù)的前8位和后8位；TRIBUFFER可將SEL_2選擇的8位數(shù)據(jù)傳輸給單片機。

其工作流程如下：通過單片機的P2端口使CPLD工作。由PULSE子模塊發(fā)送特定脈沖信號驅(qū)動超聲波換能器，CPLD在發(fā)射脈沖的同時CNT子模塊開始計時，接收放大電路接收信號并經(jīng)過零比較后，向CPLD的PULSE_ACT口提供停止計時的高電平信號。然后CPLD就將CNT中計時的16位數(shù)據(jù)以8位的形式通過SEL_2,TRIBUFFER再通過P0口上傳給單片機。由單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，最后上傳或直接顯示數(shù)據(jù)目。

3.2 CPLD中關(guān)鍵子模塊的功能仿真

由于檢測系統(tǒng)要求準(zhǔn)確的驅(qū)動脈沖和精確的順逆流時間，因此PULSE和CNT兩個子模塊成為設(shè)計的關(guān)鍵模塊。這2個模塊設(shè)計的好壞直接影響整個系統(tǒng)性能，功能仿真和驗證設(shè)計的可行性。

3.2.1 PULSE子模塊仿真

根據(jù)頻譜分析，驅(qū)動脈沖寬度與傳感器頻率之間存在最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足該關(guān)系式時，接收傳感器的接收信號質(zhì)量最佳。該設(shè)計采用2.5 MHz的超聲換能器，經(jīng)計算驅(qū)動脈沖最佳為600 ns.CPLD控制信號可以達到納秒級的控制精度。因此可產(chǎn)生控制信號，既克服了模擬器件抗干擾性差的缺點。CPLD產(chǎn)生控制信號再經(jīng)光電隔離進入驅(qū)動電路。從而控制150 V高壓驅(qū)動超聲發(fā)射傳感器，驅(qū)動信號采用單脈沖驅(qū)動，如圖3所示，EMP240T100C5N用100 MHz時鐘晶體振蕩器發(fā)送600 ns驅(qū)動脈沖信號。

3.2.2 CNT子模塊仿真

超聲波測流量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是對超聲波在順流和逆流這兩種情況下的準(zhǔn)確的計時。計時越精確所得時間差越準(zhǔn)確，有利于后續(xù)流速和流量的計算。由于超聲波的頻率為2.5 MHz,所以需要計時器的工作頻率與之相適應(yīng)。該系統(tǒng)設(shè)計的CPLD采用100 MHz的有源晶體振蕩器，時鐘周期達到10 ns.計時原理為：當(dāng)CPLD從開始發(fā)送脈沖信號時開始計數(shù)，當(dāng)接收到脈沖信號時停止計數(shù)。通過換算，將CPLD所計的數(shù)值換算成超聲波在液體中所用時間，從而實現(xiàn)計時功能，如圖4所示。

4 結(jié)語

通過對關(guān)鍵子系統(tǒng)的功能仿真，可以看出CPLD關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計滿足整體設(shè)計的性能要求。在實際應(yīng)用中CPLD也可以滿足其設(shè)計要求。該超聲波液壓流量檢測系統(tǒng)具有精度高，反應(yīng)快，抗干擾能力強的功能。適用于較惡劣的環(huán)境，同時也便于診斷液壓系統(tǒng)故障。